Die Erfindung betrifft Verbesserungen an Siegelverfahren.

Unter dem Begriff „Siegeln" wird hierin das stoff schlüssige Verbinden, insbesondere von Kunststoffen, vorrangig für die Herstellung von Verpackungen aus thermoplastischen Materialien wie Kunststofffolien oder Folienverbunden, wie beispielsweise mit metallischen und nichtmetallischen Werkstoffen beschichtete Kunststofffolien, mit thermoplastischem Kunststoff beschichteten Metallfolien wie Aluminiumfolie und dergleichen, beispielsweise bei der Herstellung von Schlauchbeuteln, dem Verschließen von Behältern, beispielsweise durch das Aufsiegeln von Kunststofffolie mit oder ohne Aluminiumbeschichtung, kunststoffbeschichteter Aluminiumfolie oder anderen thermisch schweißbaren Materialien auf Behälter aus Kunststoff mit oder ohne Beschichtung oder aus Aluminium mit Kunststoffbeschichtung, oder die Versiegelung/Verschweißung von Folien oder Folienverbunden der oben genannten Art.

Beim Siegeln kommen üblicherweise beheizte Siegelwerkzeuge (auch als Siegelorgane bezeichnet) zum Einsatz. Diese bestehen in der Regel aus einer Heizpatrone (gewickelter Widerstandsleiter) und einem Grundkörper, in dem die Heizpatrone sowie ein für die Temperaturregelung erforderlicher Temperaturfühler integriert sind.

WO 2018/055034 Al beschreibt ein Siegelorgan, bei dem wärmeerzeugende Elemente eines Heizelements von dessen Rückseite her kontaktiert sind. Weitere Aspekte betreffen ein Siegelorgan, bei dem der Ort der Wärmeerzeugung und der Ort der Wärmeabfuhr (d.h. die Wirkstelle) möglichst nah beieinander angeordnet sind, ein Heizelement, das einen integrierten Temperatursensor aufweist, ein Siegelorgan mit der Möglichkeit, das Heizelement und/oder das zu verschweißende Material bedarfsweise zu kühlen oder anzusaugen. Für Siegelorgane der beschriebenen Art, bei denen eine Vielzahl von Heizelementen bereitgestellt werden, die einzeln oder gruppenweise ansteuerbar sind, und zwar gleichgültig ob die Heizelemente zum Siegeln einer ebenen, gebogenen oder gekrümmten Kontur angeordnet sind, und gleichgültig ob ein Trägerelement ein oder mehrere Heizelemente aufweist, wird ein Siegelverfahren vorgeschlagen, das energiesparend ist, mit höchster Zuverlässigkeit beste Ergebnisse ermöglicht und außerdem eine Inline-Qualitätskontrolle, d.h. eine Überwachung des Siegelvorgangs, während er stattfindet, mit integrierter Fehlererkennung ermöglicht. Wesentliches Merkmal der Heizelemente der watttron GmbH ist die Aufteilung der Heizfläche in kleinste Einzelregelkreise (Heizpixel, oder im Falle eines Rundheizers Heizkreisstücke), die einzeln in ihrer Temperatur geregelt werden können. Damit wird die Siegelnaht bei einer Beutelsiegelung oder die Heizfläche bei der Thermoformvorwärmplatte in minimale regelbare Fläche unterteilt. Diese Unterteilung hat den Vorteil, auf lokale unterschiedliche Leistungsbedarfe (z.B. durch Lagensprung der Verpackung oder Randeffekte) gezielt reagieren zu können. Weiterer Vorteil ist die Messbarkeit eben dieser lokal unterschiedlichen Bedarfe, durch Messung der abgegebenen Leistung einer jeden Einzelfläche, bzw. der damit bestimmbaren Energieabgabe (im Falle des Kühlens - aufnahme) über einen gewissen Zeitraum bspw. des Maschinentaktes. Die Idee ist, diese lokalen Informationen aus dem Heizprozess zu überwachen und durch einen Algorithmus zur Überwachung des Prozesses bzw. Inline- Qualitätskontrolle zu nutzen. Hierzu wird bei einem Siegelorgan der beschriebenen Art, das eine Mehrzahl von Heizelementen aufweist, die einzeln ansteuerbar sind, das Siegelorgan beheizt und auf das zu siegelnde Material gedrückt und, während das Siegeln stattfindet, von jedem Heizelement eine Kenngröße, beispielsweise der Energieverbrauch, gemessen und ausgewertet. Das „Auswerten“ kann in diesem Zusammenhang beispielsweise die Erfassung der Gesamtenergie jedes beteiligten Heizelements und den anschließenden Vergleich des Energieverbrauchs jedes Heizelements mit dem Energieverbrauch aller anderen Heizelemente umfassen. Dies ist insbesondere hilfreich, wenn ein neuer Anwendungsfall vorliegt, bei dem das Verhalten des Materials sowie der Heizelemente zur Erreichung einer ordnungsgemäßen, zuverlässigen Siegelung noch nicht ausreichend bekannt ist. In diesem Fall kann der Vergleich der Heizelemente miteinander einen Hinweis auf ein Qualitätsproblem liefern. Wird ein bestimmter Anwendungsfall bereits gut beherrscht, so können die erfassten Daten von Kenngrößen oder Kennwerten besonders vorteilhaft dazu genutzt werden, eine Datenbank von Prozessparametern zu erzeugen und anschließend zur Prozesssteuerung zu nutzen. Bevorzugt kommen hierbei selbstlernende Algorithmen („unsupervised learning“) zur Anwendung, die das Verfahren besonders schnell, effizient und genau auch bei bisher unbekannten Anwendungen beherrschbar machen können. Die Erfassung der gewählten Kenngröße kann beispielsweise über die gesamte Zeit erfolgen, die ein Siegelvorgang dauert, und die Auswertung sich auf den Maximalwert der Kenngröße beschränken, oder die erfasste Kenngröße wird über die Zeit integriert und dadurch ein einzelner Kennwert ermittelt, beispielsweise der Gesamtenergieverbrauch jedes Heizelements pro Siegelvorgang. Beispiele: Soll beispielsweise ein Deckel aus Aluminiumfolie auf einen Joghurtbecher aus Kunststoff gesiegelt werden und weist das Siegelorgan eine Vielzahl von Heizelementen auf, die einzeln ansteuerbar sind, so wird der Energieverbrauch aller Heizelemente über die Zeit des Siegelvorgangs betrachtet ähnlich sein: Im Energie-Zeit-Schrieb erscheint eine Kurve, die zunächst von nahe Null relativ stark ansteigt, ein Maximum erreicht und dann wieder bis auf nahe Null abfällt. Der qualitative Verlauf der Kurven ist bei allen Heizkreisen relativ ähnlich. Ist die Siegelung erfolgreich und wie gewünscht verlaufen, so stimmen die Kurven auch quantitativ relativ gut überein. Ist jedoch ein Problem aufgetreten, so erkennt man an den Energie-Zeit-Schrieben zumindest quantitativ einen Unterschied: Beispielsweise kann es vorkommen, dass Tropfen des Joghurts beim Einfüllen in den Becher auf den Becherrand gelangen (Fig. 1). Bei Kaffeekapseln kann in analoger Weise Kaffeepulver auf den Becherrand gelangen (Fig. 2) . Außerdem kann ein Fehler darin bestehen, dass der Deckel gegenüber dem Becher verrutscht, d.h. nicht korrekt liegt (Fig. 3) . Oder allgemeiner formuliert, zwei miteinander zu verschweißende Werkstücke können relativ zueinander ungenau positioniert sein. In all diesen Fällen bietet das vorgeschlagene Verfahren die Möglichkeit, das Vorliegen eines Fehlers zu erkennen und gezielt einzugreifen, um minderwertige Produkte zu vermeiden oder auszusondern und so die Qualität der Produktion sicherzustellen.

In den genannten Fällen benötigt mindestens ein Heizelement, manchmal auch zwei oder mehr benachbarte Heizelemente, entweder deutlich mehr Energie zum Siegeln, weil der zwischen Becherrand und Deckelfolie befindliche Tropfen Joghurt zusätzliche Energie aufnimmt, bis alle Feuchtigkeit daraus entwichen ist, oder das oder die betroffenen Heizelemente verbrauchen deutlich weniger Energie, weil das Kaffeepulver den Wärmedurchgang behindert oder die Heizelemente nur auf den Becherrand und nicht auf die Deckelfolie einwirken. In jedem dieser Fälle lässt sich aus lokalen Abweichungen der gemessenen Kenngrößen oder Kennwerte ein potentielles Qualitätsproblem erkennen, so dass eine geeignete Aktion durchgeführt werden kann.

Alternativ oder zusätzlich kann von jedem Heizelement auch eine andere Kenngröße, beispielsweise die Temperatur, über die Zeit gemessen und ausgewertet werden. In ähnlicher Weise wie oben beschrieben lässt sich aus dem Vergleich der gemessenen Temperatur-Zeit-Verläufe erkennen, ob und an welcher Stelle es möglicherweise ein Qualitätsproblem gibt.

Ein sich stetig wiederholender thermischer Prozess ist im statischen Fall durch einen gleichbleibenden Leistungsbedarf gekennzeichnet. Entsprechend ist bei längerer Beobachtung ein Erwartungswert mit seinen „normalen“ Schwankungsbereich hinsichtlich Leistungsverlauf oder Energiemenge je Zyklus bestimmbar. Ist dieser Erwartungswert je Heizbereich bekannt, sind Abweichungen über den Toleranzbereich hinaus bestimmbar, welche auf Änderung im Prozess zurückschließen lassen. Neben dem Vergleich zum zeitlichen Verlauf ist auch der lokale Vergleich bei ähnlichen thermischen Bedingungen benachbarter Heizflächen möglich. Beispielsweise zeigen alle Heizkreise entlang einer kreisrunden Siegelkontur den ähnlichen Leistungsbedarf bei sauberem Siegelrand auf. Kommt es zu einer Kontamination in einem Teilbereich des Siegelrandes, ist der betroffene Heizkreis durch den direkten Vergleich mit den anderen Verläufen bzw. Energiewerten der einen Siegelung detektierbar. Darüber hinaus ist auch eine Analyse über verschiedene Siegelvorgänge möglich. Beispielsweise zeigen Heizkreise mit unterschiedlichen Zieltemperaturen (ein sogenanntes Temperaturprofil) im Vergleich untereinander unterschiedliche Leistungsbedarfe an. Über mehrere Siegelvorgänge hinweg bleibt aber das Leistungsverhalten des einzelnen Heizkreises ähnlich und damit vergleichbar. Eine Kontamination in einem Teilbereich würde dann eine Abweichung des Leistungsbedarfs im Vergleich zu den vorherigen Siegelungen bedeuten. Eine weitere Ausbaustufe der Nutzung von Leistungsbedarfen oder Energieverbräuchen ist die Wiedererkennung von Fehlerzuständen. Dabei ist es möglich, nicht nur zwischen gut und schlecht zu unterscheiden, sondern auch die Ursache der Störung bzw. Änderung zu bestimmen. Dazu wird der Algorithmus angelernt, in dem ihm der Grund beim erstmaligen Auftreten des Fehlerfalles genannt wird („supervised learning“). Mit zunehmender Datenlage kann der Algorithmus durch Vergleich der Messdaten mit seinen in einer Datenbank hinterlegten Fehlermasken bzw. dem konfigurierten neuronalen Netz auf Wiederholungen bekannter Fälle schließen und unter Angabe einer Wahrscheinlichkeit den Grund der Störung benennen. Anwendungen - Detektion von Verschmutzungen, Kontaminationen und ungewünschten Folienfaltungen im Siegelnahtbereich bei Verpackungsprozessen, - Detektion von Prozessveränderungen im Verpackungsprozess z.B. das Verrutschen oder Fehlen von Folienmaterial bzw. von gewünschten Faltungen und Lagensprüngen (Längsnaht), - Detektion von Materialänderungen durch Auswertung des Leistungsverlaufs und damit Rückschluss auf Foliendicke und Wärmekapazität, - Detektion von Werkzeugveränderungen, z.B. von sich über mehrere Zyklen aufbauende Anhaftung auf der Siegelwerkzeugoberfläche, - Nutzung der Energieauswertung als zentrale zeitliche Maschinensteuerung anstelle eines definierten prozessunabhängigen Maschinentaktes.